韓咀煤礦水文地質(zhì)及礦井充水因素分析

陳文飛，李曉龍

(1.山西華晉韓咀煤業(yè)有限責任公司，山西 臨汾 042100；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

山西省煤炭資源豐富，自建國以來一直支撐著我國煤炭工業(yè)的發(fā)展，但由于煤炭開采歷史原因，導(dǎo)致部分國有重點煤礦周邊老窯分布較多，致使礦井水害事故頻發(fā)，同時大幅增加了探放水工作量，給礦井安全生產(chǎn)帶來一定的影響[1]。近年來礦井水害已成為僅次于瓦斯的第二大礦井災(zāi)害，據(jù)統(tǒng)計“十二五”期間，我國煤礦水害事故發(fā)生121起，死亡546人，可見礦井水害的致災(zāi)嚴重性，而準確認識礦井水文地質(zhì)特征，分析礦井充水因素對預(yù)防礦井水害事故至關(guān)重要[2-7]。

張冬冬[8]、方剛[9]、李廣侖[10]、李曉龍[11]、孫楠楠[12]等具體分析了紅石巖煤礦、薛廟溝煤礦、貴州某礦、百良煤礦、孔莊煤礦水文地質(zhì)特征及礦井充水因素，有效指導(dǎo)了礦井防治水工作。筆者以山西河?xùn)|煤田整合礦井——韓咀煤礦為研究對象，通過分析礦井充水因素，深刻認識了礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)特征，確定了礦井面臨的主要水害，合理預(yù)測了礦井涌水量，為礦井后期安全高效開采奠定基礎(chǔ)，同時以期為周邊類似礦井防治水工作提供借鑒。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

韓咀煤礦位于河?xùn)|煤田鄉(xiāng)寧礦區(qū)王家?guī)X精查勘探區(qū)南部，由原山西鄉(xiāng)寧譚韓煤業(yè)有限公司、菩薩灘煤業(yè)有限公司、峰鑫煤業(yè)有限公司、宇田煤業(yè)有限公司4座煤礦與部分新增資源(原王家?guī)X井田)重組整合而成，行政區(qū)劃隸屬于鄉(xiāng)寧縣西坡鎮(zhèn)，生產(chǎn)規(guī)模120 Mt/a，斜井開拓。井田地處呂梁山最南端，山高溝深，地形復(fù)雜，地勢東高西低，屬黃土高原地帶。區(qū)內(nèi)北部發(fā)育一東西向的季節(jié)性安里河，由東向西匯入黃河。礦井目前主采2#煤層，采用綜采放頂煤采煤工藝[13-15]。

井田內(nèi)主要含水層自上而下依次為：第四系砂礫層孔隙潛水含水層、二疊系碎屑巖裂隙含水巖系、上石炭統(tǒng)太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層；主要隔水層依次為新生界底部隔水層、石炭二疊系層間隔水層、10#煤底板至本溪組頂界太原組隔水層。

2 礦井充水因素分析

2.1 充水水源

大氣降水：大氣降水是礦井充水的間接充水水源之一。據(jù)氣象資料顯示，區(qū)內(nèi)降水量春季偏少，主要集中在7、8、9月份，2011—2016年平均降水量475.9 mm。大氣降水通過煤層上覆巖層的天然裂隙和人工采動裂隙直接滲入礦井，或通過補給地表水和地下水間接向礦井充水。由于受含水層滲透性能的影響，直接滲入的補給方式以緩慢滲入為主，補給的水量需經(jīng)較長時間的滲流方能進入礦井。

地表水：礦井東部青石峪河，對未來礦井生產(chǎn)影響不大。礦井北部安里河位于F1斷層上盤，為季節(jié)性河流，雨季出現(xiàn)水流，會補給礦井北部含水層，或在導(dǎo)水裂隙帶作用下進入巷道或采空區(qū)。可見，安里河將對礦井北部開采產(chǎn)生一定的影響。

含水層水：①K8砂巖含水層。位于2#煤層的頂板之上，平均厚度7.92 m。裂隙較發(fā)育，一般下距2#煤層平均15 m左右，同一口徑單位涌水量為0.000 03～0.023 30 L/(s·m)，富水性弱；②太原組灰?guī)r含水層。自K2石灰?guī)r底至K4石灰?guī)r頂，平均厚度21.91 m，底部K2石灰?guī)r為10#煤層的頂板，同一口徑單位涌水量0.000 27～0.006 86 L/(s·m)，富水性弱；③奧灰含水層。該含水層是礦井2#煤層的間接充水含水層，巖溶裂隙發(fā)育。井田內(nèi)奧陶系灰?guī)r埋藏較深，地下水交替作用滯緩，致使巖溶裂隙不發(fā)育。巖溶發(fā)育程度受地形、地貌構(gòu)造等因素影響，由東向西、由南向北巖溶發(fā)育逐漸減弱，徑流條件逐漸變差，礦化度逐漸增高。同一口徑單位涌水量為0.000 323～0.489 920 L/(s·m)，富水性弱-中等。

采空區(qū)及老窯積水：①井田內(nèi)采空區(qū)積水。礦井自身形成4處采空區(qū)，分別為2107采空區(qū)、2108采空區(qū)、1202采空區(qū)和20100采空區(qū)。2010年7月20日至8月1日調(diào)查老空區(qū)7處，2012年11月首采區(qū)地面綜合物探發(fā)現(xiàn)采空區(qū)8處。采空區(qū)范圍較大，其積水是開采2#煤層的主要充水水源；②周邊礦井積水情況。井田西為山西華晉吉寧煤業(yè)有限責任公司和山西天潤煤化集團德通煤業(yè)有限公司，東為山西華寧焦煤有限責任公司和山西鄉(xiāng)寧焦煤集團毛則渠煤炭有限公司，北為山西中煤華晉能源有限責任公司王家?guī)X礦，南為山西鄉(xiāng)寧焦煤集團通合煤業(yè)有限公司。王家?guī)X煤礦2010年3月28日發(fā)生透水事故，判定為小窯老空水，總排水量約為3.0×105m3。故應(yīng)特別注意周邊礦井小窯及老空區(qū)積水，靠近時一定要加強防范，采取措施，防止類似事故發(fā)生。

2.2 充水通道

充水通道有斷裂構(gòu)造、頂板垮落裂隙帶、廢棄老窯、封閉不良鉆孔。

斷裂構(gòu)造：斷裂構(gòu)造是井田的天然充水通道，斷層破碎帶可能成為礦井的充水通道，尤其可成為底板太灰水及奧灰水的充水通道。位于井田北部的F1斷層，斷層下盤奧灰含水層與上盤煤系地層對接，奧灰水可通過斷層破碎帶進入煤系地層。如果構(gòu)造本身富水，一旦溝通強含水層時，對礦井開采影響較大，即使導(dǎo)水性不良的斷層在受到采掘活動影響后，斷層局部地段也可能具有導(dǎo)水性，成為礦井的充水通道。據(jù)井田內(nèi)三維地震及瞬變電磁勘探資料，DF1、DF2、DF3、DF4、DF5、DF6、DF7斷層均為富水斷層，因此采掘過程中建議加強對斷裂構(gòu)造的探查工作。根據(jù)井下生產(chǎn)資料，在掘進32111主運巷時，未發(fā)現(xiàn)DF2斷層；在掘進32111切眼時，未發(fā)現(xiàn)DF7斷層，原物探DF7斷層位置附近見2個斷層分別為F2211-2、F2211-3，落差分別為1 m、0.5 m，傾向與原物探DF7斷層相反，掘進過程中斷層不出水。

頂板垮落裂隙帶：采煤產(chǎn)生的頂板冒落破壞帶和導(dǎo)水裂隙帶是大氣降水、地表水、沖積潛水、基巖風(fēng)化裂隙水和基巖含水層水向礦井充水的通道，其條件是導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度大于基巖露頭(含隱伏露頭)或基巖含水層標高。2#煤層傾角一般3°～5°左右，頂板以砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖為主。采用《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標準》冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶最大高度經(jīng)驗公式表中的煤層傾角0°～54°，頂板巖石抗壓強度40～60 MPa的公式

(1)

式中：Ht—導(dǎo)水裂隙帶(包括冒落裂隙帶)高度，m；M—累計采厚，m；n—采煤分層層數(shù)。

應(yīng)用經(jīng)驗公式，利用以往53個地質(zhì)鉆孔對2#煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度進行計算，2#煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為93.42～188.31 m。井田東南部導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至地表，井田中部局部地段導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至第四系，其它地段導(dǎo)水裂隙帶高度均發(fā)育至K8砂巖與第四系底界之間。在井田東南部煤層淺埋區(qū)，當2#煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶達到基巖露頭(含隱伏露頭)表面，或基巖風(fēng)化裂隙帶底面時，會在地表或表層形成導(dǎo)水裂隙帶出露區(qū)，在導(dǎo)水裂隙帶出露區(qū)存在表層水通過導(dǎo)水裂隙帶向礦井垂向充水的條件。

廢棄老窯：井田內(nèi)老窯舊井筒均已封閉，在廢舊的井筒附近生產(chǎn)時，需嚴格按照防治水規(guī)定要求留足夠的防水煤柱，或進行探放水工作，避免老窯井巷成為老空水透入井下的導(dǎo)水通道，確保礦井安全。

封閉不良鉆孔：封閉不良鉆孔是隱蔽性強的導(dǎo)水通道，垂向?qū)畷惩?，不僅使垂向上不同層位的含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系，而且當井下采掘活動揭露或接近封閉不良鉆孔時，可能造成突水事故。封閉不良鉆孔在垂向上串通了多個含水層，可預(yù)見一旦發(fā)生此類突水事故，不僅突水初期水量大，而且補給量較穩(wěn)定。井田內(nèi)以往施工的鉆孔較多，據(jù)資料表明所有鉆孔均已封閉，但部分鉆孔施工年代久遠，封孔質(zhì)量參差不齊，可能存在封閉不良鉆孔。因此生產(chǎn)采掘靠近鉆孔時，尤其是導(dǎo)通奧灰水的鉆孔，要提高防范意識，以免封閉不良鉆孔溝通上下含水層成為向礦井充水的直接通道。

2.3 充水強度

根據(jù)韓咀煤礦2016年1月—2017年9月每月原煤產(chǎn)量及每月平均涌水量，計算含水系數(shù)(KB=Q/P)最大為1.78 m3/t，最小為0.03 m3/t，平均為0.41 m3/t，按礦井充水程度等級劃分標準，屬充水性弱的礦井。

2016年1月—2017年9月礦井涌水量(月平均值)為6～56 m3/h，平均27.9 m3/h。按涌水量大小等級劃分標準，屬礦井涌水量小的礦井。

3 井田及周邊地區(qū)老窯水分布情況

3.1 礦井自采采空區(qū)

井田內(nèi)自采形成4處采空區(qū)，分別為2107、2108、1202和20100采空區(qū)。其中2107采空區(qū)積水面積1 033 m2，積水量1 213 m3；2108采空區(qū)積水面積854 m2，積水量110 m3。1202采空區(qū)面積118 213 m2，20100采空區(qū)面積104 577 m2。

3.2 井田內(nèi)老空、采空區(qū)

據(jù)山西省煤炭地質(zhì)144勘查院于2010年提交的《山西華晉韓咀煤業(yè)有限責任公司采(古)空區(qū)積水、積氣及火區(qū)調(diào)查報告》，共調(diào)查出2#煤采空區(qū)7處，采空區(qū)積水面積共計18.067萬m2，積水量共計22.8萬m3。

依據(jù)《山西韓咀煤業(yè)有限責任公司首采區(qū)(一標段)地面綜合物探報告》及《山西華晉韓咀煤業(yè)有限責任公司首采區(qū)(二標段)綜合物探工程報告》，一、二標段物探解釋2#煤層采空區(qū)8處，面積為407.028 6萬m2。2013年7月—2014年7月在井底車場、首采工作面及主巷道施工驗證鉆孔9個，其中6處積水區(qū)鉆孔驗證結(jié)果基本與物探解釋采空區(qū)相符。

3.3 周邊老空、采空區(qū)

山西華晉吉寧煤業(yè)有限責任公司采空區(qū)積水面積41.6萬m2，積水量共計38.2萬m3；山西華寧焦煤有限責任公司采空區(qū)積水面積12.686萬m2，積水量共計7.18萬m3；山西鄉(xiāng)寧焦煤集團通合煤業(yè)有限公司采空區(qū)積水面積8.866 1萬m2，積水量共計11.342 4萬m3；山西鄉(xiāng)寧焦煤集團毛則渠煤炭有限公司采空區(qū)積水面積37.6萬m2，積水量共計為36.853 2萬m3；山西中煤華晉能源有限責任公司王家?guī)X煤礦采空區(qū)積水面積103.175 9萬m2，積水量共計105.797 3萬m3。

4 礦井充水狀況

4.1 礦井涌(突)水情況

礦井自2014年開采至今未發(fā)生大的水害事故，僅在掘進巷道和回采工作面出現(xiàn)頂板淋水、老空鉆探疏放水，尤以2#煤層老空疏放水為主，對生產(chǎn)造成了一定影響。目前礦井月平均涌水量47.5 m3/h。

4.2 礦井涌水量預(yù)測

礦井目前主要開采2#煤層，主要充水水源為老空水和二疊系砂巖裂隙水。根據(jù)水文地質(zhì)條件及抽水試驗資料，采用比擬法和大井法對韓咀煤礦3年內(nèi)開采2#煤層進行涌水量預(yù)測。

比擬法預(yù)測礦井涌水量：王家?guī)X煤礦位于韓咀煤礦北部，井田相連，目前開采煤層為山西組2#煤，2017年1～9月礦井平均涌水量95.4 m3/h，最大涌水量為112.2 m3/h，平均產(chǎn)量696 t/h，按其生產(chǎn)能力和礦井涌水量計算含水系數(shù)，進而比擬韓咀煤礦生產(chǎn)能力為1.20 Mt/a時預(yù)測2#煤層礦井涌水量。

(2)

式中：Q0—生產(chǎn)礦井涌出的總水量，m3/h；Q—預(yù)測礦井涌水量，m3/h；P0—生產(chǎn)礦井開采量，t/h(696 t/h)；P—預(yù)測礦井開采量，t/h(137 t/h)。

按照韓咀煤礦年產(chǎn)量1.20 Mt/a，當開采2#煤層產(chǎn)量達到設(shè)計生產(chǎn)能力時，礦井正常涌水量為18.8 m3/h，最大涌水量為22.1 m3/h。

大井法預(yù)測礦井涌水量：采用“大井法”進行計算，選用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井涌水量計算公式。

(1)

由于HS5、HG3鉆孔為采空區(qū)孔，水文地質(zhì)參數(shù)無法利用，故采用HS2孔水文地質(zhì)資料參數(shù)。目前2#煤頂板砂巖水位標高約+712 m(HS2孔2017.10.2水位資料)，32111工作面開采最低深度+430 m，32101、32103工作面開采最低深度+545 m，32104工作面開采最低深度+582 m。大井法最大涌水量按正常礦井涌水量的1.5倍確定。經(jīng)計算，未來3年內(nèi)礦井正常涌水量為89.7 m3/h，礦井最大涌水量為110.9 m3/h。

采用比擬法預(yù)測的礦井涌水量，僅通過產(chǎn)量與涌水量進行比較，預(yù)測涌水量較小，與目前韓咀煤礦實際涌水量不符；采用大井法預(yù)測的礦井涌水量綜合考慮了含水層邊界條件、含水層試驗參數(shù)等，以及目前礦井的實際涌水量，更切合實際。可見采用正常涌水量89.7 m3/h，最大涌水量為110.9 m3/h作為礦井防治水工作的依據(jù)較合理。

5 結(jié)論

(1)韓咀煤礦礦井充水水源有大氣降水、地表水、含水層水、采空區(qū)及老窯積水；充水通道主要有斷裂構(gòu)造、頂板垮落裂隙帶、廢棄老窯、封閉不良鉆孔。

(2)按礦井充水程度等級將韓咀煤礦劃分為充水性弱的礦井；按涌水量大小等級將其劃分為礦井涌水量小的礦井。

(3)井田內(nèi)存在自形成的4處采空區(qū)以及老空、采空區(qū)，且有一定量的積水，周邊存在大量老空、采空區(qū)，積水量較大。老空水是制約韓咀煤礦2#煤層安全開采的主要水害。

(4)采用大井法預(yù)測礦井涌水量較合理，預(yù)測未來3年內(nèi)礦井正常涌水量為89.7 m3/h，礦井最大涌水量為110.9 m3/h。

(5)隨著礦井開采，采空區(qū)面積會進一步增加，礦井充水強度也必然會增大，故日常生產(chǎn)中老空水的探查與疏放工作至關(guān)重要。